background image

 

Ć

wiczenie 8 

 

Badanie odkształceń belki zginanej metodą tensometrii oporowej 

Opracował: dr inż. Henryk Olszewski 

1. Wstęp 

Tensometria  zajmuje  się  metodami  pomiaru  odkształceń  ciał  stałych  w  granicach 

proporcjonalności.  Odkształcenia  dostarczają  informacje  dotyczące  szeregu  właściwości 
badanych  ciał,  takich  jak:  współczynnik  rozszerzalności  cieplnej,  granice  sprężystości, 
proporcjonalności  i plastyczności,  zjawiska  pełzania  i  histerezy.  Odkształcenia  pozwalają 
również  na  dokonanie  pomiarów  wielkości  fizycznych  związanych  z  odkształceniami:  sił, 
naprężeń,  momentów  itp.  W  badaniach  laboratoryjnych  pomiary  odkształceń  polegają 
najczęściej  na  mierzeniu  wydłużeń  na  powierzchni  ciała.  Pomiary  na  powierzchni  badanego 
ciała  wynikają  z  zasady  działania  przyrządów  pomiarowych  oraz  z  faktu,  że  ekstremalne 
wartości  odkształceń  występują  w  większości  przypadków  na  powierzchni  ciała.  Pomiary 
odkształceń wewnątrz ciała są kłopotliwe i z tego względu są rzadko. 
 

W  celu  pomiaru  tensometrycznego  odkształceń  liniowych  na  powierzchni  badanego 

elementu  konstrukcyjnego  ustala  się  odcinek  pomiarowy  o  długości  l  nazywany  bazą 
pomiarową. 

Odkształcenie 

jednostkowe 

odcinka 

pomiarowego 

przypadku 

jednokierunkowego stanu naprężenia wynosi: 

l

l

ś

r

=

ε

 

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie:   l

∆ - wydłużenie odcinka pomiarowego. 

W  innych  przypadkach  odkształceń  wartość  odkształcenia  uśrednia  się  na  długości  bazy 
pomiarowej.  Im  mniejsza  jest  długość  bazy  pomiarowej  l  zaś  stan  odkształceń  bliższy 
jednorodnemu,  tym  uśredniona  wartość  odkształceń  jednostkowych 

ś

r

ε

    jest  bliższa 

rzeczywistej wartości odkształceń 

ε

 badanego elementu.  

 

Tensometry ze względu na zasadę działania dzielimy na dwie grupy: 

 tensometry elektryczne 

rezystancyjne zwane elektrooporowymi lub oporowymi, 

indukcyjne, 

pojemnościowe, 

elektrodynamiczne, 

piezoelektryczne, 

magnetyczne, 

 tensometry mechaniczne: 

optyczno-mechaniczne, 

strunowe. 

Zasada  działania  tensometrów  indukcyjnych  oparta  jest  na  zjawisku  zmiany  indukcyjności 
własnej  lub  zespołu  cewka  indukcyjna  –  magnetyczny  rdzeń  wywołanej  odkształceniem 
badanego elementu konstrukcyjnego. 
 

W  przypadku  kondensatorów  pojemnościowych  odkształcenia  konstrukcji  powodują 

zmianę  odległości  pomiędzy  płytkami  kondensatora,  stanowiącego  główny  elementu 
czujnika.  Zmiana  odległości  pomiędzy  płytkami  kondensatora  wywołuje  z  kolei  zmianę 
pojemności elektrycznej, która jest mierzoną wielkością fizyczną. 

background image

 

 

Zasada  działania  tensometrów  piezoelektrycznych  opiera  się  na  zjawisku 

piezoelektrycznym,  czyli  na  pojawianiu  się  ładunków  elektrycznych  na  ściankach  kryształu, 
który ulega odkształceniu w granicach plastyczności.  
 

Głównymi elementami tensometrów mechanicznych, za pomocą których wykonuje się 

pomiary  przemieszczeń,  są  części  mechaniczne:  dźwignie,  pręty,  przekładnie.  Bazę 
pomiarową  l  tensometrów  mechanicznych  jest  zazwyczaj  odległość  pomiędzy  dwoma 
ostrzami  pryzmatycznymi  dociskanymi  do  powierzchni  badanego  elementu  za  pomocą 
zacisków.  Odkształcenia  elementu  konstrukcyjnego  wywołują  zmianę  odległości  pomiędzy 
ostrzami, która jest odczytywana przy pomocy tensometru mechanicznego. 
 

2. Budowa tensometrów oporowych 

W  chwili  obecnej  najszersze  zastosowanie  mają  tensometry  oporowe.  Tensometria 

oporowa  wykorzystuje  zjawisko  zmiany  oporu  elektrycznego  drutu  metalowego  podczas 
zmiany jego długości. Tensometria oporowa stosowana jest do: 
 wyznaczania właściwości mechanicznych metali, 
 określania stanu odkształceń i naprężeń w wybranych punktach elementów 

konstrukcyjnych obciążonych statycznie lub dynamicznie. 

 pomiarów naprężeń własnych, 
 pomiarów odkształceń w wysokich i niskich temperaturach. 
 
Ze względu na budowę wyróżniamy dwa podstawowe typy tensometrów oporowych: 
 drucikowe:  

wężykowe (rys. 1a),  

kratowe (rys. 1b),  

zygzakowe,  

choinkowe,  

spiralne; 

 foliowe (rys. 2).  
 

a) 

 

 

 

 

 

          b) 

        

         

 

Rys. 1. Tensometry drucikowe: a) wężykowy, b) kratowy 

1 – drucik oporowy, 2 – podkładka nośna, 3 – naklejka,  4 – przewody, 5 – taśma miedziana 

 
Tensometr  wężykowy  (rys.  1a)  składa  się  z  drucika  oporowego  o  średnicy  0.02 

÷  0.05  mm 

ukształtowany  w  postaci  wielokrotnego  wężyka.  Wężyk  naklejony  jest  na  podkładce  nośnej 
wykonanej z bibułki, folii taśmy celuloidowej lub cienkiego papieru. Dopływ prądu odbywa 
się  za  pomocą  dwóch  grubszych  przewodów.  Są  one  przylutowane  do  końca  drucika 
oporowego. Drucik oporowy jest chroniony z wierzchu przed uszkodzeniami mechanicznymi 
oraz  przed  wpływem  wilgoci  oraz  nagłych  zmian  temperatury  za  pomocą  paska  papieru  lub 

background image

 

filcu zwanego nakładką. Tak przygotowany tensometr nakleja się na powierzchnię badanego 
elementu konstrukcyjnego przy zastosowaniu specjalnego kleju. 
 

 

Rys. 2. Tensometr foliowy 

1 – drucik oporowy, 2 – podkładka nośna, 3 – naklejka,  4 – przewody 

 

 

 

 

 

 

Tensometr kratowy (rys. 1b) charakteryzuje się brakiem czułości na odkształcenia w kierunku 
prostopadłym  do  kierunku  nałożenia  drutu  oporowego  na  podkładkę  nośną.  Tensometr  ten 
składa  się  z  zestawu  równolegle  ułożonych  drucików  i  połączonych  nalutowanymi  lub 
napawanymi  grubszymi  odcinkami  taśmy  miedzianej.  Poprzecina  taśma  miedziana  wraz 
z drucikami  oporowymi  tworzy  obwód  elektryczny.  Odcinki  taśmy  miedzianej  stanowią 
ograniczenie  bazy  pomiarowej  tensometru.  Podobnie,  jak  w  przypadku  tensometru 
wężykowego  dopływ  prądu  elektrycznego  odbywa  się  za  pomocą  dwóch  grubszych 
przewodów  przylutowanych  do  drucika  pomiarowego.  Odcinki  drucika  oporowego  oraz 
taśmy miedzianej tworzą siatkę oporową, która naklejona jest na podkładkę nośną i chroniona 
z wierzchu przez nakładkę.  
 

Tensometry  foliowe  (rys.  2)  aktualnie  są  coraz  częściej  stosowane.  Składają  się  one 

z wężykowatej siatki oporowej wykonanej z cienkiej folii metalowej naklejonej na podkładkę 
nośną.  Część  pomiarowa  siatki  pokryta  jest  nakładką  ochronną  wykonaną  podobnie,  jak 
podkładka nośna z folii z tworzywa sztucznego. Do zakończeń siatki oporowej dołączone są 
grubsze  przewody  elektryczne.  Siatkę  oporową  wykonuje  się  podobnie,  jak  obwody 
drukowane,  metodą  fotochemiczną  po  naklejeniu  folii  na  podkładkę  nośną.  Tensometry 
foliowe  przyklejane  są  do  powierzchni  badanego  elementu  konstrukcyjnego  za  pomocą 
specjalnych klejów podobnie, jak w przypadku tensometrów drucikowych. 
 

Na właściwą pracę tensometru oporowego, obok  jego budowy, wpływa odpowiednie 

przymocowanie  jego  do  powierzchni  badanego  elementu  konstrukcyjnego.  Tensometry 
należy  przyklejać  ze  szczególną  dokładnością  i  przy  zachowaniu  wyjątkowej  czystości. 
Powierzchnię,  na  którą  nakleja  się  czujnik,  należy  przetrzeć  papierem  ściernym  w  celu 
usunięcia nierówności, a następnie odtłuścić acetonem lub innym odtłuszczającym środkiem 
chemicznym. Następnie na powierzchnię nakładamy dwie warstwy kleju i łączymy tensometr 
z  badanym  przedmiotem  lekko  go  dociskając.  Pomiary  rozpoczynamy  po  całkowitym 
wyschnięciu  kleju.  Kleje  tensometryczne  stosowane  do  nakładania  tensometrów  na 
powierzchnie  badanych  elementów  konstrukcyjnych  oraz  do  wyrobu  czujników  powinny 
spełniać szereg wymagań: 
 brak pełzania i histerezy, 
 brak wpływu  wilgotności, 
 brak wpływu zmian temperatury, 
 dobra przyczepność do kleju, 
 wystarczająca wytrzymałość mechaniczna, 
 wystarczająca izolacja elektryczna. 

background image

 

Aktualnie  stosowane  są  wieloskładnikowe  kleje  kompozytowe  oraz  kleje  szybkoschnące 
umożliwiające wykonanie pomiarów w kilka minut po naklejeniu tensometru oporowego. 
 

2.1. Zasada działania tensometrów oporowych 

Opór elektryczny tensometru oporowego określa wzór 

S

l

R

=

ρ

 

 

 

 

(2) 

gdzie:  

ρ

-  opór  właściwy,  -  baza  pomiarowa,  będą  długością  czynną  tensometru,  S  -  pole 

przekroju poprzecznego drucika oporowego. 
Zakładamy, że tensometr oporowy jest rozciągany lub ściskany w kierunku równoległym do 
osi  drucika  oporowego  o  przekroju  kołowym  o  średnicy  d.  Wówczas  pole  przekroju 
poprzecznego drucika wynosi: 

4

2

d

S

=

π

 

 

 

 

(3) 

W warunkach opisanych powyżej w dowolnym miejscu drucika oporowego występuje 

jednokierunkowy  stan  naprężenia  o  stałej  wartości  naprężeń  normalnych 

σ

.  Odkształcenia 

jednostkowe w kierunku równoległym do osi drucika są określone prawem Hooke’a: 

E

σ

ε

=

 , 

 

 

 

 

(4) 

gdzie:  E- moduł Young’a materiału drucika oporowego. 
Odkształcenia jednostkowe w dowolnym kierunku poprzecznym wynoszą: 

ε

ν

ε

=

1

 

 

 

 

(5) 

gdzie:  

ν

- liczba Poisson’a materiału drucika oporowego. 

Logarytmując obustronnie prawo Ohma (2) otrzymujemy: 

S

l

R

ln

ln

ln

ln

+

=

ρ

 

 

 

(6) 

Różniczkując obydwie strony powyższego równania uzyskujemy: 

S

dS

l

dl

d

R

dR

+

=

ρ

ρ

.   

 

 

 

(7) 

Dla różnic skończonych równanie (7) przyjmuje postać: 

S

S

l

l

R

R

+

=

ρ

ρ

.  

 

 

 

(8) 

Logarytmując  obustronnie  wzór  na  pole  przekroju  poprzecznego  S  drucika  oporowego  (3) 
otrzymujemy: 

4

ln

ln

2

ln

ln

+

=

d

S

π

 

 

 

(9) 

Różniczkując obydwie strony powyższego równania uzyskujemy: 

d

d

S

S

d

2

d

=

.   

 

  

 

 

(10) 

Dla różnic skończonych powyższe równanie (10) przyjmuje formę: 

d

d

S

S

=

2

.   

 

 

 

 

(11) 

background image

 

Ś

rednica drucika d jest wymiarem prostopadłym do osi drutu, stąd odkształcenie jednostkowe 

w kierunku porzecznym wynosi: 

d

d

=

1

ε

 

 

 

 

 

(12) 

Równania (4) przyjmuje wówczas postać: 

ε

ν

=

d

d

.   

 

 

 

 

(13) 

Z zależności (11) i (13) otrzymujemy: 

ε

ν

=

2

S

S

.   

 

 

 

 

(14) 

Podstawiając powyższe wyrażenie do równania (8) oraz uwzględniając 

l

l

=

ε

 otrzymujemy: 

ε

ν

ε

ρ

ρ

+

+

=

2

R

R

 

stąd: 

ε

ν

ε

ρ

ρ





+

+

=

2

1

1

R

R

 

 

 

(15) 

Stosunek względnego przyrostu oporu do odkształcenia jednostkowego dla pewnych wartości 

ε

 jest wielkością stałą i nazywany jest współczynnikiem odkształcenia tensometru lub krótko 

stałą tensometru k

ν

ε

ρ

ρ

ε

2

1

1

+

+

=

R

R

k

 

 

 

(16) 

Graniczne  warto

ś

ci  odkształcenia  jednostkowego 

ε

,  dla  których  k  nie  zmienia  si

ę

 

nazywamy  zakresem  pomiarowym  tensometru  oporowego.  Zwi

ą

zek  pomi

ę

dzy  wzgl

ę

dnym 

przyrostem oporu a odkształceniem jednostkowym przyjmuje wi

ę

c posta

ć

ε

=

k

R

R

 

 

 

 

(17) 

Stanowi on podstawow

ą

 zale

ż

no

ść

 tensometrii oporowej.  

 

Warto

ść

 stałej tensometru k zale

ż

y od szeregu czynników, w

ś

ród których mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

materiał,  z  którego  wykonany  jest  drucik  oporowy,  np.  tensometry  wykonane  z 
konstantanu posiadaj

ą

 stał

ą

 tensometru k= 2.1 

÷ 2.4; 

sposób uło

ż

enia drucika oporowego, 

rodzaj kleju, 

rodzaj materiału podkładki. 

Warto

ść

  stałej  tensometru  wyznacza  si

ę

  do

ś

wiadczalnie.  Stała  tensometru  k,  długo

ść

  bazy 

pomiarowej  l  oraz  oporno

ść

  R  drucika  oporowego  stanowi

ą

  parametry  charakteryzuj

ą

ce 

tensometr  oporowy.  Parametry  charakteryzuj

ą

ce  tensometr  podawane  przez  producenta  na 

background image

 

opakowaniu  czujników,  np.  RL  20/150  oznacza  tensometr  oporowy  o  bazie  pomiarowej 
l

 = 20 mm i oporno

ś

ci R = 150 

Ω.  

 

2.2. Zalety i wady tensometrów oporowych 

Tensometry  oporowe  w  porównaniu  z  innymi  typami  tensometrów  charakteryzuj

ą

  si

ę

 

nast

ę

puj

ą

cymi zaletami: 

wysoka  czuło

ść

  pomiaru,  co  pozwala  na  przeprowadzenie  pomiarów  bardzo  małych 

odkształce

ń

tensometry 

pozwalaj

ą

 

na 

pomiar 

odkształcenia 

jednostkowego 

z dokładno

ś

ci

ą

 do 

6

10

1

=

ε

, co dla stali odpowiada napr

ęż

eniom 

1

=

σ

N/mm

2

wysoka  dokładno

ść

  pomiarów,  która  wynika  z  liniowej  charakterystyki  tensometru  oraz 

wi

ąż

e si

ę

 z mo

ż

liwo

ś

ci

ą

 stosowania wzmacniaczy; 

niewielkie wymiary, co pozwala na stosowanie tensometrów przy pomiarach w miejscach 
trudno dost

ę

pnych oraz do badania zjawiska spi

ę

trzenia napr

ęż

e

ń

mała masa, dzi

ę

ki której mo

ż

na nimi bada

ń

 zjawiska dynamiczne; 

niewra

ż

liwo

ść

  na  drgania  i  wstrz

ą

sy  –  mog

ą

  by

ć

  naklejane  na  elementy  konstrukcyjne 

znajduj

ą

ce si

ę

 w ruchu; 

mo

ż

liwo

ść

 pracy w wysokich temperaturach i ci

ś

nieniach; 

mo

ż

liwo

ść

 umieszczenia na zakrzywionych powierzchniach; 

mo

ż

liwo

ść

 budowania zło

ż

onych układów pomiarowych, w których pomiar dokonywany 

jest  w  jednym  miejscu  operacyjnym  dla  wielu  oddalonych  od  siebie  punktów 
pomiarowych; 

mo

ż

liwo

ść

 rejestracji wyników pomiarów; 

łatwa i bezpieczna obsługa, 

brak bł

ę

dów i niedokładno

ś

ci przekładni, luzów, po

ś

lizgów, bezwładno

ś

ci wyst

ę

puj

ą

cych 

w  tensometrach  mechanicznych  dzi

ę

ki  bezpo

ś

redniemu  przekazywaniu  odkształce

ń

  na 

drucik oporowy; 

mo

ż

liwo

ść

  pomiaru  napr

ęż

e

ń

  głównych  przy  pomocy  tensometrów  rozetowych 

umo

ż

liwiaj

ą

cych pomiar odkształce

ń

 w trzech kierunkach. 

Tensometry oporowe posiadaj

ą

 równie

ż

 pewne wady, do których mo

ż

na zaliczy

ć

skomplikowany proces naklejania tensometru na badany element konstrukcyjny, 

jednorazowe  u

ż

ycie,  po  zdj

ę

ciu  tensometru  z  punktu  pomiarowego  prawie  zawsze  ulega 

on uszkodzeniu, 

wra

ż

liwo

ść

 na zmiany temperatury i wilgotno

ść

wyst

ę

powanie  histerezy  wła

ś

ciwo

ś

ci  elektrycznych  tensometru,  przez  co  nale

ż

kilkakrotnie  obci

ąż

y

ć

  go  wst

ę

pnie  w  pierwszych  pomiarach  po  naklejeniu  na  badany 

element konstrukcyjny.  

 
3. Układy pomiarowe 

Układy  pomiarowe  stosowane  podczas  pomiarów  tensometrycznych  składaj

ą

  si

ę

  z  czterech 

podstawowych cz

ęś

ci (rys. 3): 

background image

 

1)  element zasilaj

ą

cy: generator lub inne 

ź

ródło pr

ą

du, 

2)  tensometr oporowy z kompensacj

ą

 lub mostek elektryczny z tensometrem czynnym, 

3)  wzmacniacz zwi

ę

kszaj

ą

cy amplitud

ę

 impulsu z czujnika (bez zniekształce

ń

), 

4)  urz

ą

dzenie rejestruj

ą

ce zmiany mierzonej wielko

ś

ci fizycznej. 

 

Ź

ródło

prądu

Mostek

tensometryczny

Wzmacniacz

Rejestrator

 

Rys. 3. Układ pomiarowy 

 
Jedn

ą

  z  wad  tensometrii  oporowej  jest  jej  wra

ż

liwo

ść

  na  temperatur

ę

.  Zmiana  temperatury 

otoczenia o 

t

 powoduje zmian

ę

oporno

ś

ci wła

ś

ciwej drucika oporowego, 

odkształcenia materiału badanego elementu konstrukcyjnego, 

odkształcenia drucika oporowego, 

oporno

ś

ci przewodów układu pomiarowego poza tensometrem. 

Wzrost  temperatury  tensometru  wywołane  przepływem  przez  niego  pr

ą

du  elektrycznego 

powoduje  dalsz

ą

  zmian

ę

  temperatury  drucika  oporowego  i  dalsz

ą

  zmian

ę

  jego  oporno

ś

ci 

wła

ś

ciwej. 

Wzgl

ę

dny  przyrost  oporu  drucika  oporowego  tensometru  wywołany  zmian

ą

 

temperatury otoczenia okre

ś

la nast

ę

puj

ą

ca zale

ż

no

ść

(

)

t

k

R

R

=

β

α

0

1

,   

 

 

 

(18) 

gdzie:  

1

R

 

- przyrost oporu drucika oporowego tensometru, 

0

R

- pocz

ą

tkowy opór drucika 

oporowego  tensometru, 

α

-  cieplny  współczynnik  rozszerzalno

ś

ci  liniowej  materiału 

badanego  elementu  konstrukcyjnego, 

β

-cieplny  współczynnik  rozszerzalno

ś

ci  liniowej 

drucika oporowego  tensometru, 

t

- przyrost temperatury otoczenia. 

Wzgl

ę

dny przyrost oporu drucika oporowego wywołany ogrzaniem drucika oporowego o 

t

 

wynosi: 

t

R

R

=

1

0

2

γ

 

 

 

 

 (19) 

gdzie:  

1

γ

- współczynnik termicznych zmian oporu materiału drucika oporowego. 

Przyrost  temperatury  drucika  oporowego  zale

ż

y  od  warto

ś

ci  pr

ą

du  przepływaj

ą

cego  przez 

drucik oraz od warunków chłodzenia tensometru i ró

ż

ni si

ę

 do zmiany temperatury otoczenia, 

st

ą

d wzgl

ę

dny przyrost oporu uwzgl

ę

dniaj

ą

cy ró

ż

nic

ę

 pomi

ę

dzy zmian

ą

 temperatury drucika 

a zmian

ą

 temperatury otoczenia jest okre

ś

lony zale

ż

no

ś

ci

ą

(

)

d

t

k

R

R

=

β

γ

1

0

3

 

 

 

(20) 

gdzie:  

d

t

∆  

- ró

ż

nica pomi

ę

dzy przyrostem temperatury drucika oporowego i przyrostem 

temperatury otoczenia. 

background image

 

Całkowity wzgl

ę

dny przyrost oporu drucika oporowego wynosi: 

(

)

[

]

(

)

d

t

k

t

k

R

R

R

R

R

R

R

R

+

+

=

+

+

=

β

γ

γ

β

α

1

1

0

3

0

2

0

1

0

(21) 

Wpływ temperatury na działanie tensometru oporowego mo

ż

na skompensowa

ć

 za pomoc

ą

kompensacji wewn

ę

trznej, 

tensometru  kompensacyjnego  poł

ą

czonego  z  tensometrem  czynnym  (pomiarowym)  w 

układzie mostka Wheatstone’a (rys. 4). 

Kompensacja wewn

ę

trzna polega na szeregowym poł

ą

czeniu tensometru z opornikiem 

kompensacyjnym o oporze 

k

R

. Opór 

k

R

 tak si

ę

 dobiera, by wypadkowa zmiana oporu układu 

tensometr + opornik kompensacyjny była równa zeru: 

0

=

+

k

R

R

,  

 

 

 

 

(22)  

gdzie:  

k

R

  - przyrost oporu opornika kompensacyjnego: 

t

R

R

k

k

k

=

γ

 

 

 

 

(23) 

za

ś

 

k

γ

jest współczynnikiem termicznych zmian oporu opornika kompensacyjnego. 

Podstawiaj

ą

c równania (21) i (23) do (22) otrzymujemy: 

  

 

(

)

[

]

(

)

{

}

0

0

1

1

=

+

+

+

R

t

k

t

k

t

R

d

k

k

β

γ

γ

β

α

γ

 

(24) 

W celu zapewnienia kompensacji zupełnej, niezale

ż

nej od zmian temperatury otoczenia i od 

zmian temperatury nagrzania drucika oporowego musza by

ć

 spełnione nast

ę

puj

ą

ce równania: 

=

=

0

1

R

k

R

k

k

k

α

γ

β

γ

 

 

 

(25) 

Cieplny 

współczynnik 

rozszerzalno

ś

ci 

liniowej 

materiału 

badanego 

elementu 

konstrukcyjnego w wi

ę

kszo

ś

ci przypadków jest dodatni. Wówczas współczynnik termicznych 

zmian  oporu  powinien  zgodnie  z  równaniem  (25)  przyj

ąć

  ujemn

ą

  warto

ść

,  st

ą

d  opornik 

kompensacyjny  o  oporze 

k

R

  ł

ą

czy  si

ę

  z  tensometrem  w  przyległej  gał

ę

zi  mostka 

Wheatstone’a. Dodatnie zmiany oporu opornika kompensacyjnego działaj

ą

 wtedy jak ujemne 

zmiany oporu w poł

ą

czeniu szeregowym opornika z tensometrem.  

 

Drugi sposób kompensacji polega na poł

ą

czeniu tensometru czynnego (pomiarowego) 

z  tensometrem  kompensacyjnym  w  układzie  mostka  Wheatstone’a  w  przyległej  jego  gał

ę

zi. 

Mostek  Wheastone’a  składa  si

ę

  wówczas  z  czterech  gał

ę

zi,  w  których  umieszczone  s

ą

 

(rys. 4): 

tensometr czynny o oporze R

1

tensometr kompensacyjny o oporze R

2

opornik o oporze R

3

opornik o oporze R

4

background image

 

 

Rys. 4. Mostek Wheatstone’a 

 

Tensometr  kompensacyjny  kompensuje  wpływ  czynników  ubocznych,  w  tym  temperatury 
i wilgoci.  Tensometr  ten  naklejony  jest  na  ten  sam  element  konstrukcyjny  co  tensometr 
czynny  lub  na  inny  element  konstrukcyjny  wykonany  z  tego  samego  materiału  co  badana 
konstrukcja  i  znajduje  si

ę

  w  tych  samych  warunkach  temperaturowych  i  wilgotno

ś

ciowych. 

Tensometr  kompensacyjny  jest  nieobci

ąż

ony  lub  doznaje  tych  samych  odkształce

ń

  co  do 

warto

ś

ci lecz przeciwnych co do znaku jak tensometr czynny.  

 

3.1. Badanie płaskiego stanu naprężeń 

W przypadku,  gdy nie s

ą

 znane kierunki  główne, nie jest mo

ż

liwe zbadanie płaskiego stanu 

napr

ęż

enia przy pomocy pojedynczego tensometru oporowego. St

ą

d w praktyce stosowane s

ą

 

układy  tensometrów  naklejonych  w  danym  punkcie  pomiarowym  lub  blisko  siebie  zwane 
rozetami tensometrycznymi. 

 

Tensometry  rozety  tensometrycznej  s

ą

  tak  rozmieszczone,  by  zminimalizowa

ć

  bł

ą

wywołany  ich  sko

ń

czonymi  wymiarami.  K

ą

ty,  pod  którymi  rozmieszczone  s

ą

  tensometry  w 

rozetach przyjmuj

ę

 pewne ustalone warto

ś

ci: 45

°, 60°, 90°, 120°.  

 

a) 

 

 

 

 

b) 

 

 

Rys. 5. Rozety 2-tensometrowe: a) tensometry przylegające do siebie, b) tensometry skrzyżowane 

background image

 

10 

 

Najprostszymi rozetami tensometrycznymi s

ą

 rozety prostok

ą

tne utworzone przez dwa 

tensometry  przylegaj

ą

ce  do  siebie  (rys.  5a)  lub  skrzy

ż

owane  (rys.  5b).    W

ś

ród  rozet 

składaj

ą

cych si

ę

 z trzech tensometrów mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

rozety prostok

ą

tne zło

ż

one (rys. 6a), 

rozety  prostok

ą

tne  skrzy

ż

owane  (gwiazdowe)  o  zwartej  budowie,  identyczne  pod 

wzgl

ę

dem obliczeniowym z rozetami prostok

ą

tnymi zło

ż

onymi (rys.6b), 

rozety typu „delta” (rys. 6c). 

a) 

 

 

 

b) 

 

 

 

c) 

 

 

 

Rys. 6. Rozety 3-tensometrowe: a) prostokątne złożone, b) prostokątne skrzyżowane (gwiazdowe),  

c) typu „delta” 

Podczas  badania  płaskiego  stanu  napr

ęż

e

ń

  najcz

ęś

ciej  stosowane  s

ą

  rozety  składaj

ą

ce  si

ę

  z 

czterech  tensometrów,  w  których  czwarty  tensometr  pełni  rol

ę

  kontroln

ą

  lub  pomocnicz

ą

Przykładem takiej rozety jest rozeta T – „delta” (rys. 7).  

 

Rys. 7. Rozeta T – „delta” 

4. Przykłady zastosowań tensometrów oporowych 

W  szeregu  zastosowaniach  pomiary  przy  pomocy  tensometrów  oporowych  maj

ą

 

charakter  pomiarów  po

ś

rednich,  kiedy  przy  pomocy  pomiarów  odkształce

ń

  wyznacza  si

ę

 

wielko

ś

ci fizyczne zwi

ą

zane z odkształceniami.  

 

4.1. Pomiar sił w prętach 

 

W  przypadku  wyznaczania  sił  w  pr

ę

tach  rozci

ą

ganych  lub 

ś

ciskanych  metod

ą

 

tensometryczn

ą

  przyjmuje  si

ę

ż

e  w  pr

ę

cie  wyst

ę

puje  jednorodny,  jednokierunkowy  stan 

napr

ęż

enia o zadanym kierunku głównym. Wówczas siła normalna w pr

ę

cie wynosi: 

A

N

=

σ

 

 

 

 

(26) 

background image

 

11 

gdzie:  A - pole przekroju poprzecznego pr

ę

ta,  

σ

  - napr

ęż

enia normalne. 

Uwzgl

ę

dniaj

ą

c prawo Hooke’a sił

ę

 normaln

ą

 w pr

ę

cie wyznaczamy z zale

ż

no

ś

ci: 

A

E

N

=

ε

,   

 

 

 

 

(27) 

gdzie:  

ε

- odkształcenie jednostkowe mierzone przy pomocy tensometru oporowego,                  

E

 – moduł Younga. 

 

4.2. Pomiar momentu gnącego i siły poprzecznej w belkach 

W przypadku pomiarów momentu gn

ą

cego i siły poprzecznej metod

ą

 tensometryczn

ą

 

zakładamy, 

ż

e element belkowy o wymiarach przekroju poprzecznego 

h

b

×

 odkształca si

ę

 w 

stanie  prostego  zginania.  Przy  takim  zało

ż

eniu  do  pomiaru  momentu  gn

ą

cego  i  siły 

poprzecznej wystarczy jeden tensometr naklejony w danej odległo

ś

ci z od osi oboj

ę

tnej belki, 

tak  by  druciki  oporowe  przejmuj

ą

ce  odkształcenie  były  równoległe  do  osi  belki  (rys.  8). 

Zwykle  tensometr  montuje  si

ę

  w  punkcie  pomiarowym  znajduj

ą

cym  si

ę

  na  powierzchni 

włókien poło

ż

onych w najwi

ę

kszej odległo

ś

ci od osi oboj

ę

tnej. Wówczas moment gn

ą

cy 

q

M

 

wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej y wynosi: 

W

E

z

I

M

g

=

=

ε

σ

 

 

 

(28) 

gdzie: 

I

-  moment  bezwładno

ś

ci  wzgl

ę

dem  osi  oboj

ę

tnej  y

W

-  wska

ź

nik  przekroju  na 

ginanie wzgl

ę

dem osi oboj

ę

tnej y

 

 

Rys. 8. Pomiar momentu gnącego i siły tnącej 

Warto

ść

 siły poprzecznej T wyznaczamy z pomiaru momentu gn

ą

cego w zadanych punktach 

belki.  Z  warunków  równowagi  odcinka  belki  o  długo

ś

ci 

dx

  wynika, 

ż

e  pochodna  momentu 

gn

ą

cego jest równa sile tn

ą

cej: 

dx

dM

T

g

=

 

 

 

 

 

(29) 

Rozwa

ż

my  belk

ę

  obci

ąż

on

ą

  siła  skupion

ą

,  dla  której  moment  gn

ą

cy  jest  liniow

ą

  funkcj

ą

 

poło

ż

enia,  za

ś

  siła  tn

ą

ca  jest  funkcj

ą

  przedziałami  stał

ą

.  Naklejaj

ą

c  dwa  tensometry  w 

odległo

ś

ci L od siebie (zgodnie z rys. )  i mierz

ą

c momenty gn

ą

ce w punktach pomiarowych 

warto

ść

 siły poprzecznej T mo

ż

na wyznaczy

ć

 z równania: 

L

M

M

T

g

g

1

2

=

 

 

 

 

(30) 

gdzie:  

2

1

,

g

g

M

M

- momenty gn

ą

ce zmierzone w punktach pomiarowych 1 i 2, L -odległo

ść

 

pomi

ę

dzy punktami pomiarowymi 1 i 2. 

 
 
 
 

background image

 

12 

4.3. Pomiar momentu skręcającego 

Pomiar  momentu  skr

ę

caj

ą

cego  metod

ą

  tensometryczn

ą

  pozwala  okre

ś

li

ć

  warto

ść

  momentu 

skr

ę

caj

ą

cego 

s

M

 obracaj

ą

cego si

ę

 wałka o 

ś

rednicy D.  Maksymalne napr

ęż

enia skr

ę

caj

ą

ce 

τ

 

w pr

ę

cie o przekroju kołowym skr

ę

canym momentem 

s

M

 wynosz

ą

0

W

M

s

=

τ

 

 

 

 

 

(31) 

gdzie:  

0

W

  -  wska

ź

nik  wytrzymało

ś

ci  przekroju  na  skr

ę

canie,  który  jest  równy  ilorazowi  

biegunowego  momentu  bezwładno

ś

ci 

0

I

  wzgl

ę

dem 

ś

rodka  przekroju  przez    odległo

ść

 

najdalszego włókna 

max

ρ

 od 

ś

rodka przekroju: 

max

0

0

ρ

I

W

=

 

 

 

 

 

(32) 

Dla przekroju kołowego wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci przekroju na skr

ę

canie wynosi: 

16

3

0

D

W

π

=

 

 

 

 

 

(33) 

st

ą

d moment skr

ę

caj

ą

cy przekrój kołowy wynosi: 

τ

π

τ

16

3

0

D

W

M

s

=

=

.   

 

 

 

(34) 

Napr

ęż

enie styczne 

τ

działa stycznie do obwiedni przekroju poprzecznego wałka i  wywołuje 

stan  czystego 

ś

cinania.  Kierunki  główne  napr

ęż

e

ń

  s

ą

  obrócone  o  k

ą

t  45

°  w  stosunku  do 

kierunku  wyznaczonego  przez  styczn

ą

  do  przekroju  poprzecznego  i  le

żą

  w  płaszczy

ź

nie 

stycznej do obwiedni wałka. Napr

ęż

ania w kierunkach głównych stanu napr

ęż

enia podobnie, 

jak i odkształcenia maj

ą

 takie same warto

ś

ci, ale s

ą

 przeciwnych znaków: 

2

1

2

1

ε

ε

σ

σ

=

=

.  

 

 

 

 

 

(35) 

St

ą

d  tensometry  mierz

ą

ce  odkształcenia  jednostkowe 

1

ε

  i 

2

ε

  przykleja  s

ą

  do  powierzchni 

bocznej wałka pod k

ą

tem 45

° wzgl

ę

dem osi symetrii wałka w sposób pokazany na rys. 9. Ze 

wzoru  (35)  wynika, 

ż

e  do  pomiaru  momentu  skr

ę

caj

ą

cego  wystarczy  jeden  tensometr. 

Zastosowanie  dwóch  tensometrów  pozwala  na  u

ś

rednienie  wyników  pomiarów 

1

ε

  i 

2

ε

Prawo Hooke’a w przypadku skr

ę

cania ma posta

ć

G

τ

γ

=

 

 

 

 

 

(36) 

gdzie:  

γ

- k

ą

t odkształcenia postaciowego równy: 

2

1

2

2

ε

ε

γ

=

=

 

 

 

 

(37) 

za

ś

 G  jest modułem spr

ęż

ysto

ś

ci postaciowej (modułem Kirchhoffa): 

(

)

ν

+

=

1

2

E

G

.   

 

 

 

 

(38) 

background image

 

13 

 

Rys. 9. Pomiar momentu skręcającego 

 

Podstawiaj

ą

c równanie (37) opisuj

ą

ce k

ą

t odkształcenia postaciowego do prawa Hooke’a (36) 

otrzymujemy: 

1

2

ε

γ

τ

=

=

G

G

 

 

 

 

(39) 

Ostatecznie moment skr

ę

caj

ą

cy wyznaczany jest ze wzoru: 

1

3

3

8

16

ε

π

τ

π

=

=

G

D

D

M

s

.  

 

 

(40) 

 

5. Wykonanie ćwiczenia 

5.1. Cel ćwiczenia 

Celem 

ć

wiczenia  jest  zapoznanie  si

ę

  z  pomiarem  odkształce

ń

  metod

ą

  tensometrii 

oporowej i do

ś

wiadczalne wyznaczenie rozkładu napr

ęż

e

ń

 normalnych w belce zginanej. 

 

5.2. Stanowisko pomiarowe 

Stanowisko pomiarowe  składa si

ę

 badanej belki dwuteownikowej wykonanej ze stali 

podpartej  na  dwóch  wałeczkach,  maszyny  wytrzymało

ś

ciowej  wywieraj

ą

cej  wymagane 

obci

ąż

enie  na  badan

ą

  belk

ę

  oraz  układu  pomiarowego.  Na  półce  belki  naklejony  jest 

tensometr oporowy w odległo

ś

ci od osi oboj

ę

tnej belki. Na rys. 10 przedstawiono schemat 

stanowiska pomiarowego. 

 

Rys. 10. Stanowisko pomiarowe: 

1- bela, 2 – mostek, 3 – obciążenie belki, 4 - podpory 

background image

 

14 

5.3. Przebieg pomiarów 

W trakcie 

ć

wiczenia nale

ż

y: 

zapozna

ć

 si

ę

 z instrukcj

ą

 obsługi mostka tensometrycznego, 

skompensowa

ć

 i wykalibrowa

ć

 mostek tensometryczny, 

obci

ąż

a

ć

  belk

ę

  kolejnym  obci

ąż

eniami 

i

P

  przy  pomocy  maszyny  wytrzymało

ś

ciowej 

i odczytywa

ć

 wskazania mostka tensometrycznego, 

wyniki pomiarów zanotowa

ć

 w tabeli pomiarowej. 

 
5.4. Opracowanie wyników pomiarów 

W ramach 

ć

wiczenia nale

ż

y wykona

ń

 opracowanie wyników pomiarów obejmuj

ą

ce: 

opis celu i zakresu 

ć

wiczenia, 

schemat stanowiska pomiarowego, 

tabel

ę

 pomiarow

ą

wykresy  strzałki  ugi

ę

cia  belki 

pom

f

  i 

obl

f

  w  połowie  jej  długo

ś

ci  w  funkcji  siły  P 

obci

ąż

aj

ą

cej belk

ę

porównanie ugi

ę

cia belki wyznaczonego do

ś

wiadczalnie i teoretycznie. 

wnioski dotycz

ą

ce wyznaczonego do

ś

wiadczalnie przebiegu strzałki ugi

ę

cia w funkcji siły 

obci

ąż

aj

ą

cej belk

ę

Tabela pomiarowa

.

 

Zestawienie wyników pomiarów i oblicze

ń

 belki zginanej 

Ugi

ę

cie belki 

 

Lp. 

 

 

P

 

[kN] 

 

g

M

  

[Nm] 

 

obl

g

σ

 

[MPa] 

Odczyt 

na mostku 

k

R

R

1

 [‰] 

Odkształcenie 

jednostkowe 

ε

 

[-] 

 

pom

g

σ

 

[MPa] 

pom

f

 

[mm] 

obl

f

 

[mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

11 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

15 

 

 

 

 

 

 

 

 

16 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 

 

 

 

 

 

 

 

 

18 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

15 

gdzie: 

P

  - siła skupiona obci

ąż

aj

ą

ca belk

ę

 przyło

ż

ona w 

ś

rodku belki, 

g

M

-  moment  gn

ą

cy  w  punkcie  pomiarowym  znajduj

ą

cym  w  połowie  długo

ś

ci   

badanej belki: 

4

L

P

M

g

=

-  długo

ść

  belki,  przyjmujemy 

ż

e  jest  ona  równa  odległo

ś

ci  pomi

ę

dzy   

podporami: L = 1000 mm, 

obl

g

σ

 

- napr

ęż

enia gn

ą

ce w punkcie pomiarowym wyznaczone ze wzoru:  

g

g

g

W

M

=

σ

g

W

- wska

ź

nik wytrzymało

ś

ci na zginanie: 

g

W

 = 34.2 cm

3

ε

  - odkształcenie jednostkowe wyznaczane  zale

ż

no

ś

ci:  

R

R

k

=

1

ε

k

  - stała tensometru oporowego: k = 2.15, 

pom

g

σ

  -  napr

ęż

enia  gn

ą

ce  w  punkcie  pomiarowym  wyznaczone  na  podstawie 

pomiarów tensometrycznych odkształcenia jednostkowego: 

E

pom

g

=

ε

σ

E

  - moduł Young’a: 

5

10

2

=

E

 MPa, 

obl

f

- strzałka ugi

ę

cia belki w punkcie pomiarowym wyznaczona z zale

ż

no

ś

ci: 

I

E

L

P

f

obl

=

48

3

I

  - moment bezwładno

ś

ci przekroju poprzecznego belki wzgl

ę

dem osi 

oboj

ę

tnej: I = 105 cm

4

pom

f

- strzałka ugi

ę

cia belki w punkcie pomiarowym wyznaczona z pomiarów. 

 

Bibliografia 

1.  Bachmacz  W.:  Wytrzymało

ść

  materiałów.  Badania  do

ś

wiadczalne.  Skrypt  Politechniki 

Cz

ę

stochowskiej, Cz

ę

stochowa 1973. 

2.  Banasik  M.: 

Ć

wiczenia  laboratoryjne  z  wytrzymało

ś

ci  materiałów.  PWN,  Warszawa 

1977. 

3.  Boruszak  A.,  Sykulski  R.,  Wrze

ś

niowski  K.:  Wytrzymało

ść

  materiałów.  Do

ś

wiadczalne 

metody bada

ń

. Wydawnictwo Politechniki Pozna

ń

skiej, Pozna

ń

 1977. 

4.  Katarzy

ń

ski S., Koca

ń

da S., Zakrzewski M.: Badania wła

ś

ciwo

ś

ci mechanicznych metali. 

WNT, Warszawa 1967. 

5.  Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymało

ś

ci materiałów. Wydawnictwo Politechniki 

Krakowskiej, Kraków 1978. 

6.  Orło

ś

 Z.: Do

ś

wiadczalna analiza odkształce

ń

 i napr

ęż

e

ń

. PWN, Warszawa 1977.